冀北沙荒地不同坡位黃柳生物沙障對物種組成及多樣性的影響

劉歌暢，王安寧，陳海鵬，劉 佳，李玉靈*，徐學(xué)華

(1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河北 保定 071000； 2.河北省木蘭圍場國有林場管理局,河北 圍場 068450)

【研究意義】土壤沙漠化造成的植被退化問題在我國非常嚴(yán)重，加強(qiáng)土地退化生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性保護(hù)有重要的研究意義[1]，同時，物種組成和物種多樣性是植被恢復(fù)的重要標(biāo)志之一[2]。然而物種組成和物種多樣性是由多種環(huán)境因素決定的[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】坡位作為一個重要的因素，一方面，通過地貌的起伏程度直接影響物種的組成，另一方面，通過改變光、熱、營養(yǎng)等資源的再分配等因素，從而間接對物種的組成與多樣性產(chǎn)生影響[4]，在一定程度上坡位能夠?qū)ξ锓N組成與物種多樣性分布影響顯著[5]，因此坡位對植被的影響受到了廣泛關(guān)注。冀北承德地區(qū)是圍繞京津的重要生態(tài)屏障之一，該區(qū)地處半干旱農(nóng)牧交錯帶，天氣干旱少雨，風(fēng)沙危害相對嚴(yán)重，環(huán)境條件極其脆弱，再加上當(dāng)?shù)啬撩竦倪^度開采，生態(tài)景觀嚴(yán)重破壞。該地區(qū)屬于農(nóng)牧交錯帶風(fēng)沙區(qū)，土層極薄，植被遭遇破壞后，土壤沙化程度加深，形成了大面積的沙荒坡地，在此開展植被的恢復(fù)與重建技術(shù)，是防治土地沙化程度加深的最根本措施。建立生物沙障，本身具有防風(fēng)固沙的功能，同時生物沙障的“保姆效應(yīng)”又為沙障內(nèi)針闊葉喬木植被的恢復(fù)提供了可能。所以，生物沙障也有恢復(fù)沙化土地群落植被的功能[6]。是沙漠化土地治理的主要技術(shù)之一。黃柳(SalixgordejeviiChang et SkV.)，楊柳科柳屬，別名小黃柳。前人研究發(fā)現(xiàn)，黃柳具有耐旱、耐沙化、抗風(fēng)抗蝕的優(yōu)點(diǎn)，再加之扦插苗實(shí)生苗成活率均較高，是非常珍貴的生物沙障建植材料之一[7]。但是沙荒坡地不同坡位風(fēng)蝕、沙埋程度導(dǎo)致光、熱、水等條件不同，植物生長的微域環(huán)境完全不同，黃柳沙障對障下物種多樣性的影響也不盡相同。歸根結(jié)底，影響到地域性植被恢復(fù)演替進(jìn)程。為此，【本研究切入點(diǎn)】以南山嘴沙梁地黃柳生物沙障為本文的研究對象，研究了三個坡位黃柳生物沙障保護(hù)下的群落物種組成及物種多樣性。【擬解決的關(guān)鍵性問題】旨在保護(hù)冀北沙漠化土地生物多樣性，為后續(xù)的研究提供基本資料。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河北省承德圍場滿族自治縣孟灤林場南山嘴沙化土地封育區(qū)，處于灤河中上游帶。地理坐標(biāo)：東經(jīng)115°42′～119°20′、北緯41°34′～43°38′，大致面積為9217.72 km2，海拔750～1998 m。屬于溫帶大陸性季風(fēng)性氣候。年平均氣溫-1.0～5.0 ℃，極端高溫40.1 ℃，極端低溫-44.9 ℃，年均降水在440～500 mm，降雨集中在7～9月[8]。該區(qū)土壤質(zhì)地為沙壤土[9]。區(qū)域內(nèi)植被覆蓋群落結(jié)構(gòu)簡單，喬木基本沒有，灌木稀少，以1年和多年生草本和小灌木為主，小灌木有冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld. Sp.)，1年生草本狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)和地膚，多年生草本野麻(Boehmeriagracilis)和胡枝子(LespedezabicolorTurcz) 。河北省木蘭圍場國有林場管理局于2002年對區(qū)域?qū)嵤┤娣庥?，在封禁條件下，沿等高線建立黃柳生物沙障約2000 hm2。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

樣地位于南山嘴鄉(xiāng)封育區(qū)域沙梁地上，坡度為11°，坡長約182.55 m。2002年沿沙梁地等高線布設(shè)黃柳生物沙障條帶，用扦插的方法栽植苗木，帶寬2 ～ 3 m。2010年7月分別在三個坡位上進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集并調(diào)查，均用樣方法。根據(jù)實(shí)際情況將沙梁地分為3個坡位：坡底、坡中、坡頂，海拔依次為1030、1048、 1066 m，在3個坡位上均設(shè)置20 m ×33 m的標(biāo)準(zhǔn)地，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行物種組成調(diào)查。所設(shè)樣地坡向坡面相同。

2.2 物種組成調(diào)查

在樣地內(nèi)選取標(biāo)準(zhǔn)地，不同的坡位上均設(shè)置3 m×3 m的灌木樣方，三次重復(fù)；5個1 m×1 m的草本樣方，三次重復(fù)。依次對樣方內(nèi)的物種種類、高度、蓋度、數(shù)量進(jìn)行測定。

2.3 物種多樣性調(diào)查

通過對樣方內(nèi)草本植物的組成的調(diào)查來計(jì)算樣方內(nèi)草本植物的多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)等指標(biāo)，進(jìn)而分析不同坡位黃柳生物沙障保護(hù)條件下群落物種多樣性狀況。

重要值=(相對密度+相對蓋度+相對高度)/3

相對蓋度=某種的蓋度/樣方內(nèi)全部種蓋度之和×100 %

相對密度=某種的密度/樣方內(nèi)全部種密度之和×100 %

相對頻度=某種的頻度/樣方內(nèi)全部種頻度之和×100 %

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H')：

Simpson多樣性指數(shù)(D)：

Margalef豐富度指數(shù)(DMG)：

DMG=(S-1)/InN

Pielou均勻度指數(shù)(E)：

表1 不同坡位黃柳沙障內(nèi)植物科種組成

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(C)：

式中，S代表草本物種的數(shù)量；N代表所有草本物種個體數(shù)總和；i代表第i個物種；Pi代表第i個物種的個體數(shù)占所有物種個體數(shù)的比值。

3 結(jié)果與分析

3.1 物種組成數(shù)量特征

如表1可知，在本研究區(qū)域內(nèi)不同坡位黃柳沙障保護(hù)下均有植物出現(xiàn)。其中，坡中和坡頂均有4科8種植物，4科植物都屬于：菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae) 、藜科(Chenopodiaceae) 、豆科(Leguminosae)，坡底共有7科17種植物，7科植物都屬于：豆科、藜科、禾本科、菊科、亞麻科(Linaceae)、牻牛兒苗科(Geraniaceae)、木賊科(Equisetaceae)。坡頂、坡中、坡底均出現(xiàn)了豆科植物，坡底菊科與禾本科植物物種數(shù)比坡中、坡頂有所增加，并且坡底新出現(xiàn)了亞麻科、牻牛兒苗科、木賊科3科植物?？傮w來說，從坡底到坡頂，植物科種逐漸減少，說明植物生存條件逐漸變差。表明土壤基質(zhì)穩(wěn)定性在一定程度上減弱，土壤肥力有效性也跟隨下降[10]。

3.2 植物生活型和重要值

在沙障的布設(shè)保護(hù)下，多見一年生、多年生草本植物(表2)，小灌木植物出現(xiàn)較少。在坡頂，出現(xiàn)了6屬8種植物，以一年生草本和小灌木為主，優(yōu)勢種為地膚、山蒿(Artemisiabrachyloba)和狗尾草3種植物，重要值分別為40.3015、17.9865、11.4922，其優(yōu)勢度總和占坡底群落植物重要值總和的百分比為69.78 %，主要3種伴生種為花苜蓿、金色狗尾草(Setariaglauca(L.)Beauv．)和鹽蒿(Artemisiahalodendron)；在坡中，有8屬8種植物，以草本植物為主，一年生草本地膚和多年生草本花苜蓿、多花胡枝子重要值分別為44.3502、15.9835、15.7923，成為坡中群落的優(yōu)勢種，其優(yōu)勢度總和為76.1260 %， 金色狗尾草和山蒿為該群落的伴生種；在坡底，出現(xiàn)了10屬15種植物，以草本為主，其中重要值占前3位的物種為多年生草本多花胡枝子、花苜蓿和一年生地膚，重要值分別為28.8366、22.5886、9.8600，其優(yōu)勢度總和占坡底群落植物重要值總和的百分比為61.2852 %，金色狗尾草、狗尾草、山蒿成為群落的伴生種。比較坡頂、坡中群落優(yōu)勢物種可知，一年生草本地膚為各個坡位的優(yōu)勢種，在坡底一年生草本重要值為9.86 %，優(yōu)勢度在坡底明顯降低；比較坡中和坡底黃柳沙障下的物種可得出，多年生草本多花胡枝子和花苜蓿優(yōu)勢度都很高，在坡中和坡底均為優(yōu)勢種，在坡中和坡底2種草本之和占到各群落總優(yōu)勢度分別為31.7758 %、51.4222 %?？傮w而言，從坡頂?shù)狡碌?，群落?yōu)勢物種發(fā)生了顯著的變化，逐漸從一年生草本地膚轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄晟荼净ㄜ俎?、多花胡枝子。坡底出現(xiàn)植物的種類最多，優(yōu)勢樹種也相對較多，坡中隨著物種逐漸增加，群落優(yōu)勢種的重要值逐漸趨于均勻。坡頂出現(xiàn)了2種半灌木，

3.3 物種多樣性指數(shù)分析

Margalef豐富度指數(shù)指群落尺度上物種豐富的程度，代表某群落或者生境內(nèi)的物種的多少，與物種個數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系[11-12]。由圖1可知，坡頂、坡中和坡底的豐富度指數(shù)依次為4.8、4.4、6.0，三個坡位黃柳生物沙障保護(hù)下豐富度指數(shù)在坡底最高，坡頂次之，坡中最小，坡底的豐富度指數(shù)分別是坡中與坡頂豐富度指數(shù)的1.36、1.25倍，表明坡底植物豐富度最大。分別為山蒿和鹽蒿，山蒿的重要值是鹽蒿的2倍，半灌木的重要值占坡頂重要值之和的百分比為27.3491 %，即半灌木占山頂上植物的1/4。

由圖2所示，不同坡位黃柳沙障內(nèi)物種優(yōu)勢度有所差異，坡中優(yōu)勢度最高，為0.4507，坡底和坡頂黃柳沙障下草本優(yōu)勢度接近，分別為0.3315、0.3178，優(yōu)勢度指數(shù)在不同坡位的大小依次為：坡中>坡底>坡頂；從Pielou均勻度指數(shù)可以看出，坡頂略大于坡中和坡底，分別為0.8580、0.7233、0.7853。Pielou均勻度大小在不同的坡位表現(xiàn)為:坡頂>坡底>坡中。在不同的坡位物種優(yōu)勢度和Pielou均勻度指數(shù)正好相反。王志彬[11]等在燕山山地進(jìn)行的生物多樣性研究表明，物種的均勻度與優(yōu)勢度恰好是相對的，群落中優(yōu)勢種集中分布，則意味著群落中優(yōu)勢度值較大時，物種均勻度一般較低；反之，當(dāng)群落中種群分布相對均勻。本文結(jié)果也表明，坡中優(yōu)勢度最大，均勻度最小，坡頂反之，坡底介于二者之間，說明坡底植物群落發(fā)育相對完好。

表2 不同坡位黃柳沙障內(nèi)物種生活型及重要值

物種多樣性可直接反映某群落的特征。物種多樣性直接反映了群落種類組成及其數(shù)量對比變化關(guān)系，物種多樣性可由樣性指數(shù)來反映。本文在Shannon-Wiener多樣性指數(shù)指數(shù)角度來分析，其中坡底呈現(xiàn)的指數(shù)最大，坡頂次之，坡中最小(圖2)，指數(shù)依次為1.4100、1.3387、1.0721，也就是說Shannon-Wiener多樣性指數(shù)隨海拔的升高呈下降趨勢。從Simpson多樣性指數(shù)的角度來看，坡頂與坡底多樣性指數(shù)大致相同，坡中相對較低，Simpson多樣性指數(shù)隨海拔增加先減少后增加，變化趨勢與均勻度大致相同。關(guān)于物種多樣性指數(shù)，許中旗[13]等指出，Shannon-Wiener指數(shù)與Margalef豐富度的關(guān)系最密切，Simpson指數(shù)對于Pielou均勻度更加緊密，這與本文的研究結(jié)論是一致的。說明坡底的多樣性主要體現(xiàn)在物種的豐富性方面，而坡頂?shù)亩鄻有詣t是由物種的均勻性決定的?？傮w而言，雖然在不同的坡位多樣性指數(shù)均不同，但是不同坡位黃柳沙障內(nèi)植物群落多樣性指數(shù)均無顯著差異，說明坡位對黃柳沙障下群落的多樣性尚未產(chǎn)生顯著影響。

圖1 不同坡位黃柳沙障下物種豐富度指數(shù)Fig.1 Species richness index in different slopes with Salix gordejevii sand-barrier

4 討 論

由于在一定的海拔范圍內(nèi)，坡位影響著土壤水分和養(yǎng)分的再分配狀況。受重力作用的影響，上坡位水土保持能力最差，流失最為嚴(yán)重，從坡頂至坡底，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤養(yǎng)分增加。高雪松[14]等研究者通過研究不同坡位的土壤養(yǎng)分特征，表明土壤營養(yǎng)向下坡位聚集，并且營養(yǎng)含量高于上坡位與中坡位。其他學(xué)者在對坡位與土壤理化性質(zhì)分析及土壤養(yǎng)分特征研究中均發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律。即：坡底營養(yǎng)成分最高，坡中與坡頂?shù)酿B(yǎng)分有向坡底流失的趨勢[15-16]。楊林[17]通過對人工林土壤水分及群落特征研究，表明該地區(qū)土壤水分呈現(xiàn)出的規(guī)律是：坡底>坡中>坡頂。對于坡底來說，坡頂、坡中環(huán)境相對較差，年風(fēng)沙侵蝕較大，經(jīng)降雨對其根部進(jìn)行沖刷，根系難以生存。而坡底地勢平坦，水資源豐富，光照條件較好，在加之降雨沖刷過程會從上坡位沖刷下部分植物種子，長期下來，增加了坡底物種種類[18]?？梢娖碌诪楦嗟奈锓N提供了適宜的生存環(huán)境，所以坡底出現(xiàn)的植物種類明顯高于坡頂和坡中。秦偉[19]等對陜北黃土區(qū)植物群落物種多樣性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，坡頂和坡中的物種多樣性均小于坡底，此結(jié)果與本文相一致。

不同坡位黃柳沙障內(nèi)植物群落物種豐富度指數(shù)坡底>坡頂>坡中。物種豐富度的相關(guān)變化說明在沙荒地不同坡位栽植黃柳生物沙障后，從坡頂?shù)狡碌字参锓N類呈現(xiàn)出逐漸增多的趨勢，物種的豐富度的增加會提高生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，從而提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[20]。坡底的Simpon多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)高于坡中和坡頂，表明坡底植物分布均勻并且優(yōu)勢種突出。由于坡底豐富度大，物種數(shù)量多，物種間有競爭關(guān)系，每種植物均占有各自的生態(tài)位，分布區(qū)域相對均勻，優(yōu)勢種明顯。但總體來說，不同坡位黃柳沙障內(nèi)植物群落多樣性指數(shù)均無顯著差異，可能由于黃柳沙障種植年數(shù)有限，對于沙障保護(hù)下群落的多樣性尚未產(chǎn)生明顯影響。張珍明[21]等通過研究種植年限對山銀花土壤質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分隨種植年限的增加呈先增加后減小的趨勢，但由于年數(shù)的限制，對在開始的前幾年周圍環(huán)境物種的多樣性無明顯差異，可見種植年限對于物種多樣性也有一定的限制。劉彤[22]等通過對不同坡位植物物種多樣性的研究，分析表明，伴隨紅松人工林林齡的不同草本層植物各個多樣性指數(shù)無明顯差異，與本文的多樣性指數(shù)分析結(jié)果一致。但無論不同坡位物種多樣性差異是否顯著，本文結(jié)果表明，栽植黃柳沙障后不同坡位均不同程度的增加了物種數(shù)和物種數(shù)量，退化植被恢復(fù)達(dá)到了顯著效果，殷曉潔[23]等通過對冀北沙荒地植被恢復(fù)的研究，結(jié)果表明，栽植黃柳沙障區(qū)植被覆蓋度顯著高于未栽植黃柳沙障區(qū)覆蓋度，2007和2008年栽植區(qū)植被覆蓋度度比未栽植區(qū)分別高出42. 5 %和44. 8 % ，說明未栽植黃柳沙障地區(qū)的植被覆蓋狀況顯著低于栽植黃柳沙障區(qū)域，可見栽植黃柳沙障對于沙漠化土地的植被恢復(fù)有積極的作用，為冀北沙漠化土地上植被的生長提供了良好的生存和棲息環(huán)境，因此栽植黃柳沙障是冀北沙漠化土地植被恢復(fù)的有效措施[6]。

圖2 不同坡位黃柳沙障下物種多樣性Fig.2 Species diversity in different slopes with Salix gordejevii sand-barrier

5 結(jié) 論

不同坡位建立黃柳生物沙障，植被恢復(fù)效果明顯，從坡頂?shù)狡碌?，群落物種數(shù)量逐漸增加，群落優(yōu)勢物種發(fā)生了顯著的變化，逐漸從一年生草本地膚轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄晟荼净ㄜ俎！⒍嗷êψ?。不同坡位黃柳沙障內(nèi)植物群落物種豐富度指數(shù)坡底>坡頂>坡中。栽植黃柳沙障后不同坡位均不同程度的增加了物種數(shù)和物種數(shù)量，退化山地的植被恢復(fù)得到了明顯的改善。